Os Computadores Quanticos

Como Funcionam os Computadores Quanticos

Contra Almirante Marc Seven  |  17 Junho de 2011

A enorme quantidade de poder de processamento gerada por fabricantes de computadores ainda não foi capaz de saciar a nossa sede de velocidade e capacidade de computação. Em 1947, o engenheiro de computação americano Howard Aiken disse que apenas seis computadores eletrônicos digitais satisfariam as necessidades de computação dos Estados Unidos. Outros fizeram previsões igualmente desastrosas sobre a quantidade de poder computacional que daria suporte para as crescentes necessidades tecnológicas. Claro, Aiken não contava com a grande quantidade de dados gerados pela pesquisa científica, a proliferação de computadores pessoais ou o surgimento do Internet, que apenas alimentou nossa necessidade de poder de computação mais, mais e mais.

Será que algum dia teremos a quantidade de poder computacional que necessitamos ou desejamos? Se, como Lei de Moore declara, o número de transistores em um microprocessador continuar a se duplicar a cada 18 meses, o ano de 2020 ou 2030 os circuitos em um microprocessador serão medidos em escala atômica. E o próximo passo lógico será a criação de computadores quânticos, Que vai aproveitar o poder dos átomos e moléculas para realizar tarefas de memória e processamento . Os computadores quânticos têm potencial para realizar certos cálculos significativamente mais rápido que qualquer computador baseado em silício.

Cientistas já criaram computadores quânticos básicos, que podem realizar certos cálculos, mas um computador quântico prático ainda está a anos de distância. Neste artigo, você aprenderá o que é um computador quântico e para que vai ser usado na próxima era da computação.

Você não tem que voltar muito no tempo para encontrar as origens da computação quântica. Enquanto os computadores estão por aí desde o final da primeira metade do Século 20, a computação quântica foi teorizada pela primeira vez a menos de 30 anos atrás, por um físico da Argonne National Laboratory. Paul Benioff é o autor da primeira teoria de aplicação quântica para computadores em 1981. Benioff idealizou a criação de uma máquina de Turing quântica. A maioria dos computadores digitais, como o que você está usando para ler este artigo, são baseados na Teoria Turing. Aprenda o que é isso na próxima seção.

Definindo o computador quântico

A máquina de Turing, desenvolvida por Alan Turing em 1930, é um dispositivo teórico, que consiste de fita de comprimento ilimitado dividida em pequenos quadrados. Cada quadrado pode comportar um símbolo (1 ou 0) ou ser deixado em branco. Um dispositivo de leitura e gravação lê esses valores e espaços em branco, que fornece à máquina instruções para executar um determinado programa. Isso soa familiar? Bem, em uma Máquina de Turing quantica, a diferença é que a fita existe em um estado quântico, assim como a cabeça de leitura e escrita. Isto significa que os símbolos na fita podem ser 0 ou 1 ou um sobreposição de 0 e 1, em outras palavras os símbolos são 0 e 1 (e todos os pontos entre eles), ao mesmo tempo. Enquanto uma máquina de Turing normal só pode executar um cálculo em um momento, uma máquina de Turing quântica pode realizar muitos cálculos de uma vez.

Os computadores de hoje, como uma máquina de Turing, funcionam pela manipulação de bits que existem em um dos dois estados: um 0 ou um 1. Computadores quânticos não estão limitados a dois estados, eles codificam as informações como bits quânticos, ou qubits, O que pode existir em sobreposição.

Qubits representam átomos, Íons, fótons ou elétrons e seus respectivos dispositivos de controle que estão trabalhando juntos para agir como memória do computador e processador. Como um computador quântico pode conter esses estados múltiplos simultaneamente, tem o potencial de ser milhões de vezes mais poderoso do que os mais poderosos supercomputadores de hoje.
Essa sobreposição de qubits é o que dá aos computadores quânticos seu paralelismo inerente. De acordo com o físico David Deutsch, Esse paralelismo permite que um computador quântico possa resolver milhão de cálculos ao mesmo tempo que o seu PC desktop resolve apenas um. Um computador quântico de 30-qubit teria o mesmo poder de processamento de um computador convencional, que que rodasse a 10 teraflops (Trilhões de operações de ponto flutuante por segundo). Os computadores de hoje rodam a velocidades medidas ainda em gigaflops (bilhões de operações de ponto flutuante por segundo).

Os computadores quânticos também utilizam outro aspecto da mecânica quântica conhecido como emaranhamento. Um dos problemas com a idéia de computadores quânticos é que se você tentar olhar as partículas subatômicas, pode danificá-las e, assim, mudar o seu valor. Se você olhar para um qubit em superposição para determinar seu valor, o qubit assumirá o valor de 0 ou 1, mas não ambos (efetivamente tornando seu lindo computador quântico em um computador digital normal). Para fazer um computador quântico prático, os cientistas têm de encontrar formas de fazer medições indiretamente para preservar a integridade do sistema. o emaranhamento fornece uma resposta em potencial. Na física quântica, se você aplicar uma força externa a dois átomos, pode levá-los a se emaranharem, e o segundo átomo pode assumir as propriedades do primeiro átomo. Então, se deixados separados, um átomo irá girar em todas as direções. No instante em que é perturbado ele escolhe um sentido de giro, ou um valor, e, ao mesmo tempo, o segundo átomo emaranhado irá escolher um giro oposto, ou valor. Isso permite que os cientistas saibam o valor dos qubits sem realmente olhando para eles.

A seguir, vamos olhar para alguns avanços recentes no campo da computação quântica.

Computadores Quanticos de Hoje

Os computadores quânticos poderiam um dia substituir os chips de silício, assim como o transistor substituiu o tubo de vácuo. Mas, por enquanto, a tecnologia necessária para desenvolver tal computador está além do nosso alcance. A maioria das pesquisas em computação quântica ainda é muito teórica.

Os computadores quânticos mais avançados não foram além da manipulação mais de 16 qubits, o que significa que eles estão muito longe da aplicação prática.

[Nota do Tradutor]
Mesmo assim, dado o potencial dessas maquinas recentemente foi lançado o computador D-WAVE que já utiliza 128 qubits [Fim da Nota]

No entanto, o potencial é que os computadores quânticos um dia poderia realizar, com rapidez e facilidade, os cálculos que são incrivelmente demorados em computadores convencionais. Vários avanços importantes foram feitos na informática quântica nos últimos anos. Vejamos alguns dos computadores quânticos que foram desenvolvidos.

1998
Pesquisadores de Los Alamos e do MIT conseguiram controlar um único qubit por três giros nucleares em cada molécula de um líquido solução moleculas de alanina (Um aminoácido usado para analisar a deterioração do estado quantico) ou tricloroetileno (Um hidrocarboneto clorado utilizado para correção de erro quântico). Espalhando-se o qubit tornou mais difícil de corromper, permitindo que os pesquisadores usassem o emaranhamento para estudar as interações entre os estados como um método indireto para a análise da informação quântica.

2000
Em março, cientistas da Los Alamos National Laboratory anunciaram o desenvolvimento de um computador quantico de 7-qubit dentro de uma única gota de líquido. O computador quântico usa ressonância magnética nuclear (RMN) para manipular partículas dentro do núcleo atômico das moléculas de ácido trans-crotónico, um simples fluido consistindo de moléculas feitas de seis de hidrogênio e quatro átomos de carbono. A RMN é usada para aplicar pulsos eletromagnéticos, o que força as partículas a se alinharem. Estas partículas em posições paralelas ou contrarias ao campo magnético permitem que o computador quântico imite a codificação de informações em bits de computadores digitais.

Pesquisadores da IBM Almaden Research Center desenvolveram o que eles alegam ser o mais avançado computador quântico até aquela data, em agosto. O computador quântico de 5-qubit foi projetado para permitir que os núcleos de cinco átomos de flúor interajam uns com os outros como qubits, serem programados por pulsos de radiofrequência e serem detectados por instrumentos de RMN semelhantes aos  usados ​​em hospitais (veja Como Magnetic Resonance Imaging Obras para detalhes). Liderada pelo Dr.  Isaac Chuang, a equipe da IBM foi capaz de resolver em uma única etapa um problema matemático que computadores convencionais levariam repetidos ciclos. O problema, chamado order-finding, Envolve  encontrar o período de uma função particular, um aspecto típico de muitos problemas matemáticos envolvidos em criptografia.

2001
Cientistas da IBM e da Universidade de Stanford demonstrou com sucesso o Algoritmo de Shor em um computador quântico. Algoritmo de Shor é um método para encontrar os fatores primos de números (que desempenha um papel intrínseco na criptografia). Eles usaram um computador de 7-qubit para encontrar os fatores de 15. O computador deduziu corretamente que os fatores primos foram 3 e 5.

2005
O Instituto de Óptica Quântica e Informação Quântica na Universidade de Innsbruck anunciou que os cientistas haviam criado o primeiro qubyte ou uma série de oito qubits, utilizando armadilhas de íons.

2006
Cientistas em Waterloo e Massachusetts desenvolveram métodos para o controle em um sistema quântico de 12 qubits. O controle quantico se torna mais complexo quando são lidam com mais qubits.

2007
Companhia startup canadense D-Wave demonstrou uma 16-qubit computador quântico. O computador  resolveu um sudoku e problemas de correspondência de outros padrões. A empresa alega que irá produzir  sistemas práticos em 2008. Os céticos acreditam que computadores quânticos práticos ainda estão a décadas de distância, que o sistema D-Wave criou não é confiavel, e que muitas das afirmações no local D-Wave Web são simplesmente impossíveis (ou pelo menos impossível saber com certeza, dada a nossa compreensão da mecânica quântica).

Se computadores quânticos funcionais puderem ser construídos, serão valiosos em fatorar números grandes, e, portanto, extremamente úteis para decodificação e codificação de informações secretas. Se fosse para ser construído hoje, nenhuma informação na Internet seria segura. Nossos atuais métodos de criptografia são simples em comparação com os complicados métodos possíveis em computadores quânticos. Os computadores quânticos poderiam também ser usados para procurar grandes bancos de dados em uma fração do tempo que levaria um computador convencional. Outras aplicações podem incluir o uso de computadores quânticos para estudar a mecânica quântica, ou mesmo para projetar outros computadores quânticos.

Mas a computação quântica ainda está em seus estágios iniciais de desenvolvimento, e muitos cientistas acreditam que a tecnologia necessária para criar um computador quântico prático está a anos de distância. Os computadores quânticos devem ter pelo menos várias dezenas de qubits para serem capazes de resolver os problemas do mundo real e, assim, servir como um método de computação viável.

[Nota do Tradutor] Este artigo, escrito em 2007 explica bem a diferença dos computadores quanticos, e hoje vemos que eles estão mesmo se tornando praticos, depois do D-Wave, logo teremos mais uma revolução envolvendo o planeta!

Fonte: Computer Howstuffworks
Tradução Marc Seven

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